摘 要:概述了 TiAl 基合金的气体渗碳、等离子渗碳、碳元素激光表面合金化、渗铝、气体渗氮、离子渗氮、氮元素激光表面合金化、离子注入B,C,N,O、酸处理、低氧压处理、涂层、渗硼等多种表面处理方法,对渗碳、渗氮以及涂层处理方法进行了详细的分析和讨论,并对 TiAl 基合金表面处理方法的发展作了展望.
A series of new surface treatment methods for TiAl based alloys, such as gas carburization or nitridation, plasma carburization or nitridation, laser surface melting in different atmosphere, aluminization, coating and surface treatments under a low partial pressure oxygen atmosphere or by certain acids, were summarized and their prospects were forecasted.
大约在 40多年前, 人们开始对 TiAl 基合金的性能开始进行测试分析, 发现了这种材料具有优良的高温性能
[1]。从此以后对于钛铝基合金性能的研究
[2,3,4,5,6,7]显示了它作为高温结构材料的巨大潜力。从1975年 Pratt and Whitney 公司进行了第一代钛铝基合金的开发和研究工作, 到现在人们对第三代综合性能优良的 TiAl 基合金的不断探索, 无不体现出人们对这一新型材料的极大兴趣。然而由于TiAl 合金在性能方面致命的缺陷
[2,4], 如室温延性低及伴随而来的成型性差;拉伸强度与断裂/蠕变抗力成反比关系, 从而性能不平衡;对许多用到 1000℃ 的涡轮发动机来说, 高温强度相对较低;800~850℃ 以上的抗氧化性不足, 曾一度使人们对于它的研究中断。当通过加入第三种元素
[8]或使用特殊的处理工艺
[9,10], 使其室温延性逐步得到改善时, 提高其高温强度和抗氧化性, 便成为一个期待解决的难题。目前有两个主要的研究方向:一是设计新的合金, 通过添加 Nb、W、Mo、Si等元素
[11,12]可在一定程度上提高 TiAl 基合金的抗氧化性, 但要想取得理想的结果必须添加大量的合金元素, 这将必然导致合金其他性能的下降, 因而在现有合金元素的基础上进行设计似乎是不可行的;另一个是对现有合金进行表面处理, 目前来看这是一种较为可行的办法, 然而在这方面的研究极具挑战性。本文综述了目前所报道的有关 TiAl 基合金表面处理方法, 并详细介绍了渗碳、渗氮和涂层方面的研究工作。
1 TiAl 基合金表面处理新方法
经过十几年的发展, 涌现出了大量 TiAl 基合金表面处理的新工艺和新方法。它们主要有:气体渗碳、等离子渗碳、碳元素激光表面合金化
[13,14,15]、渗铝
[16,17,18]、气体渗氮、离子渗氮、氮元素激光表面合金化
[19,20,21,22]。离子注入B, C, N, O
[23]、酸处理
[24,25]、低氧压处理
[26]、涂层
[27,28,29]、渗硼
[30,31]等。
TiAl 基合金表面渗铝后
[16,17,18]渗层主要相为 TiAl3 相。此外还有少量的 TiAl、Ti3Al 等铝含量较低的钛铝金属间化合物相。在高温下经过渗铝后 TiAl 基合金可在其表面形成致密的 Al2O3 膜, 从而保护了基体中的钛不被氧化, 大大提高了 TiAl 基合金的高温抗氧化性能。然而由于基体和渗层组成相各自的热膨胀系数差别较大, 造成了贯穿整个渗层的裂纹。如何消除渗层中存在的裂纹, 将是 TiAl 基合金表面渗铝处理必须解决的问题。
文献
[
24,
25]
研究了 TiAl 基合金在磷酸和硫酸溶液中浸泡, 后经晾干和焙烧等工序处理后, 对其高温抗氧化性能的影响。其中经磷酸处理后使 TiAl 在 800~900℃ 的恒温氧化速度降低了一个数量级以上, 而且850℃ 循环氧化 200 h 未见氧化膜剥落。磷酸处理提高 TiAl 的抗氧化能力源于表面形成致密且与基体粘着性良好的富 Al2O3 膜。与其它处理方法相比, 磷酸处理工艺简单, 适合于任何形状复杂的部件, 且成本低廉, 可望成为经济实用的 TiAl 基合金表面处理技术。下一步的研究重点将在于该技术对实用 TiAl 基合金抗长期恒温、循环氧化性能的影响以及对合金力学性能的影响。
低氧分压预处理一般是将 TiAl 基合金在低氧分压气氛中高温短时间预氧化。这样做的目的是让合金表面在预氧化过程中形成一层 Al2O3 的保护膜, 从而提高其高温抗氧化性能。文献
[
26]
中采用的预处理工艺是: 1000℃ 保温 16 h, 气氛压强为 6.7×10-3 Pa。这种处理方法可以有效提高 TiAl 金属间化合物抗 900℃ 循环氧化性能, 但是对于更高的氧化温度以及添加锰的 TiAl 基合金的抗氧化性能的提高有待进一步的研究。该方法主要局限在于预氧化所形成的 Al2O3 保护膜厚度是有限的, 当它不能抵制钛的向外扩散, 从而不能形成有效的保护膜时, 合金的抗氧化性能也就下降了。
硼的渗入一般来讲既可以提高 TiAl 基合金的高温抗氧化性能又可以提高其抗磨损性能。TiAl 基合金 900~1100℃, 5~11 h 固态渗硼的研究
[30,31]表明:经900℃/11h 渗硼试样的表面维氏硬度可达 2720, 可以大大提高合金的耐磨性能。该试样在 1000 和 1050 ℃也表现出良好的抗氧化性能。
表1, 2 列举了其它几种主要的处理方法。具体内容在下文将做详细介绍。
表1 TiAl 基合金的表面碳化
Table 1 Surface carburization of TiAl based alloys